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This content will become publicly available on June 1, 2023

Title: Narrowband Searches for Continuous and Long-duration Transient Gravitational Waves from Known Pulsars in the LIGO-Virgo Third Observing Run
Abstract Isolated neutron stars that are asymmetric with respect to their spin axis are possible sources of detectable continuous gravitational waves. This paper presents a fully coherent search for such signals from eighteen pulsars in data from LIGO and Virgo’s third observing run (O3). For known pulsars, efficient and sensitive matched-filter searches can be carried out if one assumes the gravitational radiation is phase-locked to the electromagnetic emission. In the search presented here, we relax this assumption and allow both the frequency and the time derivative of the frequency of the gravitational waves to vary in a small range around those inferred from electromagnetic observations. We find no evidence for continuous gravitational waves, and set upper limits on the strain amplitude for each target. These limits are more constraining for seven of the targets than the spin-down limit defined by ascribing all rotational energy loss to gravitational radiation. In an additional search, we look in O3 data for long-duration (hours–months) transient gravitational waves in the aftermath of pulsar glitches for six targets with a total of nine glitches. We report two marginal outliers from this search, but find no clear evidence for such emission either. The resulting duration-dependent strain upper more » limits do not surpass indirect energy constraints for any of these targets. « less
Authors:
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Award ID(s):
1806990 2110181 1806577 2110360 1806461 1806656 2110509 1912630 1912649
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10342250
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
932
Issue:
2
Page Range or eLocation-ID:
133
ISSN:
0004-637X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract We present a targeted search for continuous gravitational waves (GWs) from 236 pulsars using data from the third observing run of LIGO and Virgo (O3) combined with data from the second observing run (O2). Searches were for emission from the l = m = 2 mass quadrupole mode with a frequency at only twice the pulsar rotation frequency (single harmonic) and the l = 2, m = 1, 2 modes with a frequency of both once and twice the rotation frequency (dual harmonic). No evidence of GWs was found, so we present 95% credible upper limits on the strain amplitudes h 0 for the single-harmonic search along with limits on the pulsars’ mass quadrupole moments Q 22 and ellipticities ε . Of the pulsars studied, 23 have strain amplitudes that are lower than the limits calculated from their electromagnetically measured spin-down rates. These pulsars include the millisecond pulsars J0437−4715 and J0711−6830, which have spin-down ratios of 0.87 and 0.57, respectively. For nine pulsars, their spin-down limits have been surpassed for the first time. For the Crab and Vela pulsars, our limits are factors of ∼100 and ∼20 more constraining than their spin-down limits, respectively. For the dual-harmonic searches, newmore »limits are placed on the strain amplitudes C 21 and C 22 . For 23 pulsars, we also present limits on the emission amplitude assuming dipole radiation as predicted by Brans-Dicke theory.« less
  2. Abstract We present a search for continuous gravitational-wave emission due to r-modes in the pulsar PSR J0537–6910 using data from the LIGO–Virgo Collaboration observing run O3. PSR J0537–6910 is a young energetic X-ray pulsar and is the most frequent glitcher known. The inter-glitch braking index of the pulsar suggests that gravitational-wave emission due to r-mode oscillations may play an important role in the spin evolution of this pulsar. Theoretical models confirm this possibility and predict emission at a level that can be probed by ground-based detectors. In order to explore this scenario, we search for r-mode emission in the epochs between glitches by using a contemporaneous timing ephemeris obtained from NICER data. We do not detect any signals in the theoretically expected band of 86–97 Hz, and report upper limits on the amplitude of the gravitational waves. Our results improve on previous amplitude upper limits from r-modes in J0537-6910 by a factor of up to 3 and place stringent constraints on theoretical models for r-mode-driven spin-down in PSR J0537–6910, especially for higher frequencies at which our results reach below the spin-down limit defined by energy conservation.
  3. Abstract When galaxies merge, the supermassive black holes in their centers may form binaries and emit low-frequency gravitational radiation in the process. In this paper, we consider the galaxy 3C 66B, which was used as the target of the first multimessenger search for gravitational waves. Due to the observed periodicities present in the photometric and astrometric data of the source, it has been theorized to contain a supermassive black hole binary. Its apparent 1.05-year orbital period would place the gravitational-wave emission directly in the pulsar timing band. Since the first pulsar timing array study of 3C 66B, revised models of the source have been published, and timing array sensitivities and techniques have improved dramatically. With these advances, we further constrain the chirp mass of the potential supermassive black hole binary in 3C 66B to less than (1.65 ± 0.02) × 10 9   M ⊙ using data from the NANOGrav 11-year data set. This upper limit provides a factor of 1.6 improvement over previous limits and a factor of 4.3 over the first search done. Nevertheless, the most recent orbital model for the source is still consistent with our limit from pulsar timing array data. In addition, we are able to quantify the improvementmore »made by the inclusion of source properties gleaned from electromagnetic data over “blind” pulsar timing array searches. With these methods, it is apparent that it is not necessary to obtain exact a priori knowledge of the period of a binary to gain meaningful astrophysical inferences.« less
  4. ABSTRACT Millisecond pulsars are very likely the main source of gamma-ray emission from globular clusters. However, the relative contributions of two separate emission processes – curvature radiation from millisecond pulsar magnetospheres versus inverse Compton emission from relativistic pairs launched into the globular cluster environment by millisecond pulsars – have long been unclear. To address this, we search for evidence of inverse Compton emission in 8-yr Fermi–LAT data from the directions of 157 Milky Way globular clusters. We find a mildly statistically significant (3.8σ) correlation between the measured globular cluster gamma-ray luminosities and their photon field energy densities. However, this may also be explained by a hidden correlation between the photon field densities and the stellar encounter rates of globular clusters. Analysed in toto, we demonstrate that the gamma-ray emission of globular clusters can be resolved spectrally into two components: (i) an exponentially cut-off power law and (ii) a pure power law. The latter component – which we uncover at a significance of 8.2σ – has a power index of 2.79 ± 0.25. It is most naturally interpreted as inverse Compton emission by cosmic-ray electrons and positrons injected by millisecond pulsars. We find the luminosity of this power-law component is comparable to, ormore »slightly smaller than, the luminosity of the curved component, suggesting the fraction of millisecond pulsar spin-down luminosity into relativistic leptons is similar to the fraction of the spin-down luminosity into prompt magnetospheric radiation.« less
  5. Intermediate-mass black holes (IMBHs) span the approximate mass range 100−10 5   M ⊙ , between black holes (BHs) that formed by stellar collapse and the supermassive BHs at the centers of galaxies. Mergers of IMBH binaries are the most energetic gravitational-wave sources accessible by the terrestrial detector network. Searches of the first two observing runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo did not yield any significant IMBH binary signals. In the third observing run (O3), the increased network sensitivity enabled the detection of GW190521, a signal consistent with a binary merger of mass ∼150  M ⊙ providing direct evidence of IMBH formation. Here, we report on a dedicated search of O3 data for further IMBH binary mergers, combining both modeled (matched filter) and model-independent search methods. We find some marginal candidates, but none are sufficiently significant to indicate detection of further IMBH mergers. We quantify the sensitivity of the individual search methods and of the combined search using a suite of IMBH binary signals obtained via numerical relativity, including the effects of spins misaligned with the binary orbital axis, and present the resulting upper limits on astrophysical merger rates. Our most stringent limit is for equal mass and alignedmore »spin BH binary of total mass 200  M ⊙ and effective aligned spin 0.8 at 0.056 Gpc −3 yr −1 (90% confidence), a factor of 3.5 more constraining than previous LIGO-Virgo limits. We also update the estimated rate of mergers similar to GW190521 to 0.08 Gpc −3 yr −1 .« less